ADESS: Протокол Proof-of-Work для предотвращения атак двойного расходования

Содержание

1 Введение

Фундаментальная уязвимость блокчейнов с доказательством выполнения работы (PoW) заключается в способности злоумышленников переписывать историю транзакций путем создания форков ранее опубликованных блоков и построения альтернативных сегментов цепи с различными последовательностями транзакций. Когда цепь атакующего накапливает большую сложность майнинговых головоломок, чем текущая каноническая цепь, узлы вынуждены признать ее легитимной. Эта уязвимость позволяет проводить атаки двойного расходования, при которых злоумышленники могут аннулировать переводы токенов, записанные в исходной цепи.

1.1 Две модификации ADESS

ADESS вводит две критические модификации в существующие протоколы PoW. Первая модификация позволяет идентифицировать цепи атакующих путем анализа временных последовательностей блоков. Вторая налагает экспоненциальные штрафы на идентифицированных атакующих, значительно увеличивая вычислительную стоимость, необходимую для признания форкнутых цепей каноническими.

2 Техническая архитектура

2.1 Идентификация цепи атакующего

Механизм идентификации использует поведенческую модель атакующих двойным расходованием. Когда Боб получает токены от Алисы, он ждет подтверждения транзакции через несколько блоков перед доставкой товаров или услуг. Тем временем Алиса тайно строит альтернативную цепь, но задерживает ее трансляцию до получения предмета обмена от Боба. ADESS использует эту модель задержки трансляции для идентификации потенциальных цепей атакующих.

2.2 Механизм экспоненциального штрафа

После идентификации цепи атакующего ADESS применяет экспоненциальные штрафы, требующие от атакующего применения все более высокой хеш-мощности для признания своей цепи канонической. Штраф растет с глубиной форка, делая устойчивые атаки экономически нецелесообразными.

3 Математическая формулировка

Протокол ADESS вводит функцию штрафа $P(d) = \alpha \cdot \beta^d$, где:

• $P(d)$ представляет штраф на глубине форка $d$
• $\alpha$ - базовый множитель штрафа
• $\beta$ - коэффициент экспоненциального роста ($\beta > 1$)
• $d$ - количество блоков с момента точки форка

Эффективная сложность майнинга для атакующего становится $D_{eff} = D \cdot P(d)$, где $D$ - номинальная сложность майнинга.

4 Экспериментальные результаты

Исследователи продемонстрировали два ключевых результата через моделирование и математический анализ:

1. Ожидаемая стоимость атак двойного расходования слабо выше в ADESS по сравнению с традиционными протоколами PoW
2. Для любой стоимости транзакции существует настройка штрафа, которая делает ожидаемую прибыль от атак двойного расходования отрицательной

5 Реализация кода

Ниже представлена упрощенная псевдокодовая реализация алгоритма выбора цепи ADESS:

function selectCanonicalChain(chains):
    // Найти общий блок-предок
    common_ancestor = findCommonAncestor(chains)
    
    // Идентифицировать потенциальные цепи атакующих на основе времени трансляции
    potential_attackers = identifyLateBroadcastChains(chains, common_ancestor)
    
    // Применить экспоненциальные штрафы к идентифицированным цепям
    for chain in chains:
        if chain in potential_attackers:
            fork_depth = current_block_height - common_ancestor.height
            penalty = base_penalty * (growth_factor ^ fork_depth)
            chain.score = calculateCumulativeDifficulty(chain) / penalty
        else:
            chain.score = calculateCumulativeDifficulty(chain)
    
    // Выбрать цепь с наивысшим скорректированным счетом
    return chain with maximum score

6 Анализ и обсуждение

Протокол ADESS представляет значительный прогресс в безопасности блокчейнов PoW, решая фундаментальную уязвимость двойного расходования, которая преследует криптовалюты со времен создания Bitcoin. В отличие от традиционных подходов, полагающихся исключительно на совокупную сложность, ADESS вводит временной анализ последовательностей блоков, создавая более нюансированную модель безопасности. Этот подход согласуется с последними исследованиями в области безопасности блокчейнов, такими как работа Жерве и др. (2016) по количественной оценке децентрализации протоколов консенсуса, которая подчеркивает важность включения множественных измерений безопасности.

Механизм экспоненциального штрафа в ADESS особенно инновационен, поскольку создает динамически настраиваемую систему защиты. Как отмечено в Белой книге Bitcoin (Накамото, 2008), безопасность систем proof-of-work зависит от контроля честными узлами большинства вычислительной мощности. ADESS усиливает этот принцип, делая экспоненциально более трудным для атакующих поддержание мошеннических цепей с течением времени. Этот подход имеет концептуальное сходство с механизмом "сложностной бомбы" Ethereum, но применяет его специально для сдерживания атак, а не для обновлений протокола.

По сравнению с другими механизмами предотвращения двойного расходования, такими как чекпоинты (используемые в Bitcoin Cash) или консенсус Avalanche (как описано в Белой книге Avalanche), ADESS сохраняет беспермиссионную природу традиционного PoW, добавляя при этом сложное обнаружение атак. Эффективность протокола в моделированиях предполагает, что он мог бы предотвратить реальные атаки, такие как двойные расходования Ethereum Classic в 2019 году, которые, согласно Инициативе MIT по цифровым валютам, привели к потерям в миллионы долларов.

С точки зрения реализации, ADESS демонстрирует, как тонкие модификации протокола могут дать существенные улучшения безопасности без требования фундаментальных архитектурных изменений. Этот подход контрастирует с более радикальными отклонениями, такими как Proof-of-Stake (как реализовано в Ethereum 2.0) или структуры направленных ациклических графов (DAG) (как используется в IOTA), показывая, что инкрементальная эволюция существующих протоколов остается жизнеспособным путем для улучшения безопасности блокчейнов.

7 Будущие применения

Протокол ADESS имеет перспективные применения за пределами безопасности криптовалют:

• Корпоративный блокчейн: Улучшенная безопасность для приложений цепочки поставок и финансов
• Кросс-чейн мосты: Улучшенная безопасность для протоколов интероперабельности
• Децентрализованные финансы: Дополнительная защита для высокостоимостных транзакций DeFi
• Сети IoT: Безопасная координация устройств в распределенных системах IoT

Будущие направления исследований включают:

• Интеграция с шардированными блокчейн-архитектурами
• Адаптация для механизмов консенсуса proof-of-stake
• Улучшения машинного обучения для обнаружения паттернов атак
• Формальная верификация гарантий безопасности

8 Ссылки

1. Накамото, С. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System
2. Вуд, Г. (2021). Ethereum: A Secure Decentralized Generalized Transaction Ledger
3. Жерве, А., и др. (2016). On the Security and Performance of Proof of Work Blockchains
4. Рокет, Т., и др. (2020). Avalanche: A Novel Consensus Protocol
5. MIT Digital Currency Initiative (2020). 51% Reorg Tracker
6. Лавджой, Дж. (2021). Ethereum Classic 51% Attacks: Technical Post-Mortem
7. Сингер, А. (2019). Analysis of Double-Spend Attacks on Ethereum Classic